JP5205763B2 - 有機薄膜トランジスタ - Google Patents
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Description
式中Ar1は、置換又は無置換の芳香族炭化水素の1価基であり、Ar2及びAr3は、それぞれ独立に、置換又は無置換の芳香族炭化水素の2価基であり、Ar4は、置換若しくは無置換の芳香族炭化水素又は置換若しくは無置換の複素環式化合物の2価基を表す。」、(5)「さらに下記構造式(1)または(2)で示される化合物を含有した有機半導体層を形成したことを特徴とする前記第(4)項に記載の有機薄膜トランジスタ;
具体的には、図1の(A)、(B)、(C)に例示したトランジスタの概略構造において、2.8〜3.0Åの面間隔を有するベンゼン環が露出する層(6)を有し、そのベンゼン環が露出する表面上に有機半導体層(1)を有する。有機半導体層(1)は、一般式(I)、(II)で示した繰り返し単位を有する重合体を主成分とする。本発明の有機薄膜トランジスタには、空間的に分離されたソース電極(2)、ドレイン電極(3)およびゲート電極(4)が設けられており、ゲート電極(4)と有機半導体層(1)の間には絶縁膜(5)が設けられ、さらに有機半導体層(1)と絶縁層(5)の間に2.8〜3.0Åの面間隔を有するベンゼン環が露出する層(6)が設けられる。有機薄膜トランジスタはゲート電極(4)への電圧の印加により、ソース電極(2)とドレイン電極(3)の間の有機半導体層(1)内を流れる電流がコントロールされる。
プラスチックシートとしては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリイミド、ポリカーボネート、セルローストリアセテート、セルロースアセテートプロピオネート等からなるフィルム等が挙げられる。
これらの化合物自体は、従来公知(例えば、特許第3239244号公報、特許第3273543号公報、特開2004−212959号公報、特開2004−302452号公報等を参照)であり、また上記特許文献2、特許文献3記載のポリ(アリーレンビニレン)からなるポリマー有機半導体におけるトリアリールアミン構造の部位と構造的に似ているもの(ただし、ポリマーでない)である。
また、上記シラン化合物の溶液に対し0.1mM〜1000mMの範囲溶解させることが好ましい。0.1mM以下であれば浸漬時間が長くなりすぎ、100mM以上であれば、シラン化合物同士の自己縮合により、本発明の2.8〜3.0Åの面間隔を有するベンゼン環からなる表面が均一に形成できない。より、好ましくは1mMから10mMの溶液である。
ベンゼン環の面間隔は通常3〜4Åになるが、本発明における2.8〜3.0Åの面間隔の膜は、例えば、シロキサンに直接ベンゼン環を付けることにより作製されるので、これがきちっとできればSi-O-Siの間隔にベンゼン環が向き合うことになる。そして、GIXDを測定したところほぼシロキサンのSiの間隔に並んでいることが分かった。これは、低分子
の結晶などではありえない面間隔になっているものといえる。
本発明の有機薄膜トランジスタにおいて、有機半導体層の膜厚としては、特に制限はないが、均一な薄膜(即ち、有機半導体層のキャリア輸送特性に悪影響を及ぼすギャップやホールがない)が形成されるような厚みに選択される。有機半導体薄膜の厚みは、一般に1μm以下、特に5〜200nmが好ましい。
電極の形成方法としては、上記材料を原料として蒸着やスパッタリング等の方法を用いて形成した導電性薄膜を、公知のフォトリソグラフ法やリフトオフ法を用いて電極形成する方法、アルミニウムや銅等の金属箔上に熱転写、インクジェット等によるレジストを用いてエッチングする方法がある。また導電性ポリマーの溶液あるいは分散液、導電性微粒
子分散液を直接インクジェットによりパターニングしても良いし、塗工膜からリソグラフィーやレーザーアブレーション等により形成しても良い。さらに導電性ポリマーや導電性微粒子を含むインク、導電性ペースト等を凸版、凹版、平版、スクリーン印刷等の印刷法でパターニングする方法も用いることができる。
また、本発明の有機薄膜トランジスタは、必要に応じて各電極からの引出し電極を設けることができる。
30mm□のp−ドープされたシリコン基板表面を熱酸化してSiO2の絶縁膜を200nm形成した後、片面だけレジスト膜(東京応化製:TSMR8800)で覆い、もう片面をフッ酸により酸化膜を除去した。次いで、この熱酸化膜を除去した面にアルミニウムを300nm蒸着した。その後、レジスト膜をアセトンで除去し、有機薄膜トランジスタ評価用基板を作製した。
上記方法にて作製した有機薄膜トランジスタ評価用基板上に、5mMのフェニルトリクロロシランのトルエン溶液に30分超音波照射中浸した後、乾燥した。このように処理した基板の構造解析を行った結果を図2(A)に示す。2.9Åの面間隔で、半値幅も±0.1Å以下の構造が作製できていることが確認できる。
しかしながら、本発明における測定では、サンプルダメージ(エネルギーが低いと有機物にダメージを与える)と測定範囲(エネルギーが高いと同じ面間隔であっても低角になってしまい角度分解能が悪くなってしまう)のバランスから12KeVの光を使用している。この場合、同じ面間隔であってもCuKα線(約8KeV)を使用した場合と、今回のように12KeVの光を使用した場合では、2θの値が変わってしまい、色々なデータの比較が困難になってしまうことがある。そのため、CuKα線以外の光を使用する場合は、横軸に2θではなく、面間隔だけに依存するqという値を使用する。q=4πsinθ/λ=2π/dである。この値の求め方は4πsinθ/λであるが、式を変形していくと、面間隔の逆数に2πをかけたものになり、面間隔にだけ依存し測定波長に依存しなくなる。そのため横軸をqにするとどんな波長の光を使っても同じ面間隔なら同じqになり便利なため、この分野の人たちの間ではよく使われているものである。このような事情のため、横軸にはq(=4πsinθ/λ)nm−1を使用している。
有機半導体化合物1の約1.0wt%のTHF/パラキシレン=8/2の混合溶媒からなる溶液を基板上にスピンコートして乾燥することにより、膜厚30nmの有機半導体層を作製した。
次いで、チャネル長30μm、チャネル幅10mmとなるように、金を蒸着することにより膜厚100nmのソース電極およびドレイン電極を形成し、有機薄膜トランジスタを作製した。
さらに、この有機薄膜トランジスタの特性の再現性を確認するため、同様の操作を繰り返し、同じ有機薄膜トランジスタを作製した。
これら作製した有機薄膜トランジスタは、図1(C)の構造を有し、支持体として用いたp−ドープされたシリコン基板は下部に設けたアルミニウム薄膜とともにゲート電極として作用する。
このデバイスのトランジスタ特性の測定結果を図3に示す。
なお、有機薄膜トランジスタの電界効果移動度の算出には、以下の式を用いた。
実施例1において、有機半導体材料として、さらに化合物(II)を化合物(I)と化合物(II)の混合重量比6:4となるように混合した以外、実施例1と同様にして、2つの有機薄膜トランジスタを作製した。
実施例1において、同様に作製した有機薄膜トランジスタ評価用基板上に5mMのフェネチルトリクロロシランのトルエン溶液に30分超音波照射中浸した後、乾燥した。以外は、実施例1と同様にして、有機半導体化合物1からなる層を含む有機薄膜トランジスタを作製した。このように作製した有機薄膜トランジスタの特性である電界効果移動度を測定したところ、2.8E−3cm2/Vs、および、2.8E−3cm2/Vsであった(図5)。
実施例1において、同様に作製した有機薄膜トランジスタ評価用基板上に5mMの4−フェニルブチルトリクロロシランのトルエン溶液に30分超音波照射中浸した後、乾燥した。以外は、実施例1と同様にして、有機半導体化合物1からなる層を含む有機薄膜トランジスタを作製した。このように作製した有機薄膜トランジスタの特性である電界効果移動度を測定したところ、3.3E−3cm2/Vs、および、3.3E−3cm2/Vsであった(図6)。
実施例1において、ヘキサメチルジシラザンを用いて表面処理したSiO2絶縁膜を用いた以外実施例1と同様にして有機薄膜トランジスタを作製した。
この有機薄膜トランジスタの電界効果移動度は、8.1×10−4cm2/Vs、8.3×10−4cm2/Vsであった(図7)。
実施例1において、オクタデシルトリクロロシランを用いて処理したSiO2を用いた以外実施例1と同様にして有機薄膜トランジスタを作製したが、化合物(I)からなる有機半導体層が均一に製膜できなかった。このため、有機薄膜トランジスタでは有機半導体層が形成されるトランジスタ動作しなかった。
ここで用いたオクタデシルトリクロロシランから形成される膜は、水接触角は108°であり、視斜角入射X線回折測定結果(図2(B))から(面間隔4.1ű0.1Å)が形成されていることを確認した。
すなわち、簡便な製造プロセスでバラツキが少なく、特性の再現性の高い高移動度有機薄膜トランジスタを提供できることが明らかになった。
2 ソース電極
3 ドレイン電極
4 ゲート電極
5 ゲート絶縁膜
6 2.8〜3.0Åの面間隔を有するベンゼン環が露出する層
Claims (6)
- 有機半導体層を具備する有機薄膜トランジスタにおいて、2.8〜3.0Åの面間隔を有するベンゼン環が露出する層を有し、そのベンゼン環が露出する表面上に有機半導体層を設けたことを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
- 2.8〜3.0Åの面間隔を有するベンゼン環が露出する層がSiO2上に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の有機薄膜トランジスタ。
- SiO2上にアルキル鎖を介してベンゼン環が露出されていることを特徴とする請求項2に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 有機半導体化合物の層は、2.8〜3.0Åの面間隔を有するベンゼン環が露出する層上に設けられていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の有機薄層トランジスタ。
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